CN102624057A - 光伏发电系统的光伏电池控制装置 - Google Patents

光伏发电系统的光伏电池控制装置 Download PDF

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CN102624057A CN2012100871588A CN201210087158A CN102624057A CN 102624057 A CN102624057 A CN 102624057A CN 2012100871588 A CN2012100871588 A CN 2012100871588A CN 201210087158 A CN201210087158 A CN 201210087158A CN 102624057 A CN102624057 A CN 102624057A
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段其昌
唐若笠
段盼
李艳玲
隆霞
杨帆
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Abstract

本发明公开了一种光伏发电系统的光伏电池控制装置，属于光伏发电领域。该光伏电池控制装置包括串联的n个光伏电池，其特征在于：还包括n-1个转换器且该n个光伏电池中每相邻的两个串联光伏电池构成一个光伏电池组，每一光伏电池组均连接一个转换器。本发明通过控制转换器的第一可控开关或者第二可控开关的工作状态保证被遮蔽的光伏电池不是作为负载消耗功率，而是输出功率，由此不仅保护了被遮蔽的光伏电池，而且提高了光伏发电系统在局部遮荫情况下的发电效率，此外，通过调节可控开关的驱动信号的占空比可以保证光伏电池组中被遮蔽的光伏电池输出电能的同时，未被遮蔽的光伏电池输出的功率为最大输出功率，从而进一步提高了光伏发电系统的发电效率。

Description

光伏发电系统的光伏电池控制装置
技术领域
本发明涉及一种光伏发电系统，尤其是一种光伏发电系统的光伏电池控制装置。
背景技术
目前，光伏发电系统面临的最大困难就是如何在环境温度、光照强度连续不变的情况下最大限度地利用光能。在光照均匀，光伏电池板没有被遮蔽的情况下，光伏发电系统的性能在很大程度上取决于环境因素。然而，在光照不均匀，光伏电池板被遮蔽的情况下，被遮蔽的光伏电池会出现热斑效应，即不再作为电源向外输出功率，而是成为负载消耗其他未被遮蔽的光伏电池产生的功率，此时系统的发电效率会急剧下降，严重时被遮蔽的光伏电池会由于过热而烧毁，从而使系统可靠性降低。
为了解决上述问题，通常采用在每一光伏电池的两端并联一个旁路二极管，当光伏电池未被遮蔽时该光伏电池正常工作，旁路二级管不导通；当光伏电池被遮蔽时，光伏电池两端电压的极性会与正常工作时相反，旁路二极管导通，从而保护该光伏电池，防止被遮蔽的光伏电池由于过热而烧毁。这种方法虽然可以保护被遮蔽的光伏电池，但仍然存在光伏发电系统在遮光情况下发电效率大幅下降的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一光伏发电系统的光伏电池控制装置，不仅避免了被遮蔽的光伏电池由于过热而烧毁，保护了被遮蔽的光伏电池，而且提高了光伏发电系统在局部遮荫情况下的发电效率。
为了实现上述目的，本发明提供了一种光伏发电系统的光伏电池控制装置，包括串联的n个光伏电池，其特征在于：还包括n-1个转换器且该n个光伏电池中每相邻的两个串联光伏电池构成一个光伏电池组，每一光伏电池组均连接一个转换器；
每一转换器均包括第一可控开关、第二可控开关、第一二极管（D1）、第二二极管（D2）、第一电感（L1）、第二电感（L2）和电容（Cn），其中每一光伏电池组中第一光伏电池的自由端通过第一电感（L1）连接该第一可控开关的第一端，第二光伏电池的自由端通过第二电感（L2）连接该第二可控开关的第二端，该第一光伏电池与第二光伏电池的串联节点分别连接第一可控开关的第二端、第二可控开关的第一端，且该第一可控开关的第二端连接该第二可控开关的第一端，第一可控开关的第一端通过电容（Cn）连接第二可控开关的第二端；
所述第一二极管（D1）的正极连接该第一可控开关的第二端且负极连接该第一可控开关的第一端，所述第二二极管（D2）的正极连接该第二可控开关的第二端且负极连接该第二可控开关的第一端；
所述第一可控开关的控制端用于接收第一驱动信号，从而控制该第一可控开关的工作状态，且所述第二可控开关的控制端用于接收第二驱动信号，从而控制第二可控开关的工作状态。
所述转换器中该第一可控开关选用第一MOSFET管（S1）且该第二可控开关选用第二MOSFET管（S2），其中每一光伏电池组中第一光伏电池的自由端通过第一电感（L1）连接该第一MOSFET管（S1）的漏极，第二光伏电池的自由端通过第二电感（L2）连接该第二MOSFET管（S2）的源极，该第一光伏电池与第二光伏电池的串联节点分别连接第一MOSFET管（S1）的源极、第二MOSFET管（S2）的漏极，且该第一MOSFET管（S1）的源极连接该第二MOSFET管（S2）的漏极，第一MOSFET管（S1）的漏极通过电容（Cn）连接第二MOSFET管（S2）的源极；
所述第一二极管（D1）的正极连接该第一MOSFET管（S1）的源极且负极连接该第一MOSFET管（S1）的漏极，所述第二二极管（D2）的正极连接该第二MOSFET管（S2）的源极且负极连接该第二MOSFET管（S2）的漏极；
所述第一MOSFET管（S1）的栅极用于接收第一驱动信号，从而控制该第一MOSFET管（S1）的工作状态，且所述第二MOSFET管（S2）的栅极用于接收第二驱动信号，从而控制第一MOSFET管（S1）、第二MOSFET管（S2）的工作状态。
该转换器还包括第一滤波电容（C1）和第二滤波电容（C2），其中该第一滤波电容（C1）连接在光伏电池组中第一光伏电池的两端且该第二滤波电容（C2）连接在光伏电池组中第二光伏电池的两端。
当该第二光伏电池被遮蔽时控制第一可控开关以一定占空比工作，此时一部分电能从第一光伏电池流向第二光伏电池；
当该第一光伏电池被遮蔽时控制第二可控开关以一定占空比工作，此时一部分电能从第二光伏电池流向第一光伏电池。
设定该第一驱动信号的占空比为                                               
Figure 829068DEST_PATH_IMAGE002
=
Figure 787665DEST_PATH_IMAGE004
，为第一可控开关导通的时间，
Figure 184591DEST_PATH_IMAGE008
为第一驱动信号的脉冲周期；该第二驱动信号的占空比为
Figure 724025DEST_PATH_IMAGE010
=
Figure 604257DEST_PATH_IMAGE012
，其中为第二可控开关导通的时间，
Figure 913126DEST_PATH_IMAGE016
为第二驱动信号的脉冲周期；
在该第二光伏电池被遮蔽时，通过调节第一驱动信号的占空比
Figure 510329DEST_PATH_IMAGE002
可以调节第二光伏电池的输出电压
Figure 312194DEST_PATH_IMAGE018
与第一光伏电池的输出电压的比值为
Figure 524050DEST_PATH_IMAGE022
，以及第二光伏电池的输出电流
Figure 273962DEST_PATH_IMAGE024
与第一光伏电池的输出电流的比值为
Figure 95474DEST_PATH_IMAGE028
；
在第一光伏电池被遮蔽时，通过调节第二驱动信号的占空比
Figure 749571DEST_PATH_IMAGE010
可以调节第一光伏电池的输出电压
Figure 868837DEST_PATH_IMAGE020
与第二光伏电池的输出电压
Figure 245460DEST_PATH_IMAGE018
的比值为
Figure 709065DEST_PATH_IMAGE030
，以及第一光伏电池的输出电流与第二光伏电池的输出电流的比值为
Figure 750467DEST_PATH_IMAGE032
；
由此保证光伏电池组中被遮蔽的光伏电池输出电能的同时，未被遮蔽的光伏电池输出的功率为最大输出功率。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明采用转换器代替了传统的旁路二极管，转换器包括第一可控开关、第二可控开关、第一二极管、第二二极管、第一电感、第二电感和电容，通过控制第一可控开关或者第二可控开关的工作状态不仅避免了被遮蔽的光伏电池由于过热而烧毁，保护了被遮蔽的光伏电池，而且使得被遮蔽的光伏电池不是作为负载消耗功率，而是输出功率，由此提高了光伏发电系统在局部遮荫情况下的发电效率；
2、转换器还包括第一滤波电容和第二滤波电容，分别用于对光伏电池组中的第一光伏电池、第二光伏电池的输出电压进行滤波处理；
3、在光伏电池组中第二光伏电池被遮蔽时控制第一可控开关导通，且在光伏电池组中第一光伏电池被遮蔽时控制第二可控开关导通，通过此种操作可以保证被遮蔽的光伏电池能对应地输出功率；
4、在第二光伏电池被遮蔽时，通过调节第一驱动信号的占空比
Figure 262220DEST_PATH_IMAGE002
可以调节第二光伏电池的输出电压
Figure 569705DEST_PATH_IMAGE018
与第一光伏电池的输出电压
Figure 148716DEST_PATH_IMAGE020
的比值为
Figure 883454DEST_PATH_IMAGE022
，以及第二光伏电池的输出电流与第一光伏电池的输出电流
Figure 478831DEST_PATH_IMAGE026
的比值为；在第一光伏电池被遮蔽时，通过调节第二驱动信号的占空比
Figure 519786DEST_PATH_IMAGE010
可以调节第一光伏电池的输出电压
Figure 292614DEST_PATH_IMAGE020
与第二光伏电池的输出电压
Figure 941901DEST_PATH_IMAGE018
的比值为
Figure 994040DEST_PATH_IMAGE030
，以及第一光伏电池的输出电流与第二光伏电池的输出电流
Figure 280107DEST_PATH_IMAGE024
的比值为；由此保证光伏电池组中被遮蔽的光伏电池输出电能的同时，未被遮蔽的光伏电池输出的功率为最大输出功率，从而进一步提高了光伏发电系统的发电效率。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明中单个光伏电池组的控制电路图；
图2是本发明的第一实施例中单个光伏电池组的控制电路图；
图3是本发明的第一实施例中单个光伏电池组中第二光伏电池被遮蔽时的等效电路图；
图4是本发明的第一实施例中单个光伏电池组中第一光伏电池被遮蔽时的等效电路图；
图5是本发明的第二实施例中两个光伏电池组的控制电路图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
该光伏发电系统的光伏电池控制装置包括串联的n个光伏电池、n-1个转换器，其中将该n个光伏电池中每相邻的两个串联光伏电池划分成一个光伏电池组，且每一光伏电池组均对应连接一个转换器。应注意的是：n个光伏电池中可以划分成n-1个光伏电池组，且同一光伏电池可能从属于不同的光伏电池组。
如图1所示，本发明中每一转换器由第一可控开关、第二可控开关、第一电感L1、第二电感L2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一滤波电容C1、第二滤波电容C2和电容Cn，其中每一光伏电池组中第一光伏电池的自由端通过第一电感L1连接该第一可控开关的第一端，第二光伏电池的自由端通过第二电感L2连接该第二可控开关的第二端，该第一光伏电池与第二光伏电池的串联节点分别连接第一可控开关的第二端、第二可控开关的第一端，且该第一可控开关的第二端连接该第二可控开关的第一端，第一可控开关的第一端通过电容Cn连接第二可控开关的第二端；第一二极管D1的正极连接该第一可控开关的第二端且负极连接该第一可控开关的第一端，所述第二二极管D2的正极连接该第二可控开关的第二端且负极连接该第二可控开关的第一端；该第一滤波电容C1连接在光伏电池组中第一光伏电池的两端且该第二滤波电容C2连接在光伏电池组中第二光伏电池的两端；该第一可控开关的控制端用于接收第一驱动信号，从而控制该第一可控开关的工作状态（即控制第一可控开关的第一端与第二端的导通或者断开），且所述第二可控开关的控制端用于接收第二驱动信号，从而控制第二可控开关的工作状态（即控制第二可控开关的第一端与第二端的导通或者断开）。
在本发明的第一实施例中可控开关选用MOSFET管，如图2所示，该第一可控开关为第一MOSFET管S1且第二可控开关为第二MOSFET管S2，其中每一光伏电池组中第一光伏电池的自由端通过第一电感L1连接该第一MOSFET管S1的漏极，第二光伏电池的自由端通过第二电感L2连接该第二MOSFET管S2的源极，该第一光伏电池与第二光伏电池的串联节点分别连接第一MOSFET管S1的源极、第二MOSFET管S2的漏极，且该第一MOSFET管S1的源极连接该第二MOSFET管S2的漏极，第一MOSFET管S1的漏极通过电容Cn连接第二MOSFET管S2的源极；第一二极管D1的正极连接该第一MOSFET管S1的源极且负极连接该第一MOSFET管S1的漏极，第二二极管D2的正极连接该第二MOSFET管S2的源极且负极连接该第二MOSFET管S2的漏极；第一MOSFET管S1的栅极用于接收第一驱动信号，从而控制该第一MOSFET管S1的工作状态，且所述第二MOSFET管S2的栅极用于接收第二驱动信号，从而控制第一MOSFET管S1、第二MOSFET管S2的工作状态。应注意的是：除了第一实施例中的MOSFET管，该可控开关还可以选用IGBT、三极管等其他开关器件。
本发明的第一实施例中在光照均匀时该转换器处于空闲模式，两个MOSFET管均断开。在光照不均匀时：如果第二光伏电池被遮蔽，则控制第一MOSFET管S1以一定占空比工作，此时的等效电路如图3所示，一部分电能从第一光伏电池流向第二光伏电池；如果第一光伏电池被遮蔽，则控制第二MOSFET管S2以一定占空比工作，此时的等效电路如图4所示，一部分电能从第二光伏电池流向第一光伏电池，由此可见光伏电池在被遮蔽时仍然输出电能，因此本发明不仅避免了被遮蔽的光伏电池由于过热而烧毁，保护了被遮蔽的光伏电池，而且提高了光伏发电系统在局部遮荫情况下的发电效率。
此外，为了进一步提高光伏发电系统的发电效率，则希望光伏电池组中未被遮蔽的光伏电池工作在最大功率点，但是此时光伏电池组中被遮蔽的光伏电池可能在负压下工作，仍然在消耗功率。
在本发明的第一实施例中当第二光伏电池被遮蔽时如图3所示，设定第一驱动信号的占空比为
Figure 639730DEST_PATH_IMAGE002
，则该占空比表示为
Figure 637904DEST_PATH_IMAGE002
=
Figure 646312DEST_PATH_IMAGE004
，其中
Figure 824352DEST_PATH_IMAGE006
为第一MOSFET管S1导通的时间，
Figure 352548DEST_PATH_IMAGE008
为第一驱动信号的脉冲周期，并且设定通过电容Cn的电压是常量且第一电感L1、第二电感L2的电流为连续的，则第一电感L1上电压在第一驱动信号的脉冲周期
Figure 770891DEST_PATH_IMAGE008
内的积分值为0，表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE034A
其中
Figure 564797DEST_PATH_IMAGE020
表示第一光伏电池的输出电压，
Figure 2012100871588100002DEST_PATH_IMAGE038
表示电容Cn上的电压，
Figure 234943DEST_PATH_IMAGE002
表示控制第一MOSFET管S1工作状态的驱动信号的占空比。根据上式可以获得
Figure 2012100871588100002DEST_PATH_IMAGE040
。
第二电感L2上电压在第一驱动信号的脉冲周期
Figure 53864DEST_PATH_IMAGE008
内的积分值为0，表达式为：
Figure 2012100871588100002DEST_PATH_IMAGE042
其中
Figure 93975DEST_PATH_IMAGE018
表示第二光伏电池的输出电压，
Figure 76974DEST_PATH_IMAGE038
表示电容Cn上的电压。根据上式可以获得
Figure 2012100871588100002DEST_PATH_IMAGE046
。
根据公式
Figure 2012100871588100002DEST_PATH_IMAGE048
和
Figure 222916DEST_PATH_IMAGE046
，可以获得光伏电池组中第二光伏电池的输出电压与第一光伏电池的输出电压
Figure 984384DEST_PATH_IMAGE020
的比值为，设定该转换器无损耗，根据光伏电池组中两光伏电池的输出功率相等，即
Figure 2012100871588100002DEST_PATH_IMAGE050
，可以获得两光伏电池的输出电流比值
Figure 2012100871588100002DEST_PATH_IMAGE052
。
同理，在本发明的第一实施例中当第一光伏电池被遮蔽时如图4所示，设定该第二驱动信号的占空比为
Figure 827149DEST_PATH_IMAGE010
=
Figure 355082DEST_PATH_IMAGE012
，其中
Figure 302441DEST_PATH_IMAGE014
为第二MOSFET管（S2）导通的时间，
Figure 994453DEST_PATH_IMAGE016
为第二驱动信号的脉冲周期，则可以获得第一光伏电池的输出电压
Figure 918416DEST_PATH_IMAGE020
与第二光伏电池的输出电压
Figure 67900DEST_PATH_IMAGE018
的比值为
Figure 435427DEST_PATH_IMAGE030
，且第一光伏电池的输出电流
Figure 598424DEST_PATH_IMAGE026
与第二光伏电池的输出电流
Figure 76810DEST_PATH_IMAGE024
的比值为
Figure 408696DEST_PATH_IMAGE032
。
综上所述，在该第二光伏电池被遮蔽时，通过调节第一驱动信号的占空比
Figure 868497DEST_PATH_IMAGE002
可以调节第二光伏电池的输出电压与第一光伏电池的输出电压
Figure 302331DEST_PATH_IMAGE020
的比值为
Figure 924942DEST_PATH_IMAGE022
，以及第二光伏电池的输出电流
Figure 368693DEST_PATH_IMAGE024
与第一光伏电池的输出电流
Figure 261608DEST_PATH_IMAGE026
的比值为
Figure 81796DEST_PATH_IMAGE028
；在第一光伏电池被遮蔽时，通过调节第二驱动信号的占空比可以调节第一光伏电池的输出电压与第二光伏电池的输出电压的比值为
Figure 173063DEST_PATH_IMAGE030
，以及第一光伏电池的输出电流
Figure 271731DEST_PATH_IMAGE026
与第二光伏电池的输出电流
Figure 57285DEST_PATH_IMAGE024
的比值为
Figure 169466DEST_PATH_IMAGE032
；由此可以保证光伏电池组中被遮蔽的光伏电池输出电能的同时，调节未被遮蔽的光伏电池的输出功率为最大输出功率，从而进一步提高了光伏发电系统的发电效率。
在本发明的第二实施例中，以三个串联的光伏电池为例，如图5所示，光伏电池PV1和PV2构成一个光伏电池组，光伏电池PV2和PV3构成另一个光伏电池组。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (5)

1.一种光伏发电系统的光伏电池控制装置，包括串联的n个光伏电池，其特征在于：还包括n-1个转换器且该n个光伏电池中每相邻的两个串联光伏电池构成一个光伏电池组，每一光伏电池组均连接一个转换器；
每一转换器均包括第一可控开关、第二可控开关、第一二极管（D1）、第二二极管（D2）、第一电感（L1）、第二电感（L2）和电容（Cn），其中每一光伏电池组中第一光伏电池的自由端通过第一电感（L1）连接该第一可控开关的第一端，第二光伏电池的自由端通过第二电感（L2）连接该第二可控开关的第二端，该第一光伏电池与第二光伏电池的串联节点分别连接第一可控开关的第二端、第二可控开关的第一端，且该第一可控开关的第二端连接该第二可控开关的第一端，第一可控开关的第一端通过电容（Cn）连接第二可控开关的第二端；
所述第一二极管（D1）的正极连接该第一可控开关的第二端且负极连接该第一可控开关的第一端，所述第二二极管（D2）的正极连接该第二可控开关的第二端且负极连接该第二可控开关的第一端；
所述第一可控开关的控制端用于接收第一驱动信号，从而控制该第一可控开关的工作状态，且所述第二可控开关的控制端用于接收第二驱动信号，从而控制第二可控开关的工作状态。
2.根据权利要求1所述的光伏发电系统的光伏电池控制装置，其特征在于：所述转换器中该第一可控开关选用第一MOSFET管（S1）且该第二可控开关选用第二MOSFET管（S2），其中每一光伏电池组中第一光伏电池的自由端通过第一电感（L1）连接该第一MOSFET管（S1）的漏极，第二光伏电池的自由端通过第二电感（L2）连接该第二MOSFET管（S2）的源极，该第一光伏电池与第二光伏电池的串联节点分别连接第一MOSFET管（S1）的源极、第二MOSFET管（S2）的漏极，且该第一MOSFET管（S1）的源极连接该第二MOSFET管（S2）的漏极，第一MOSFET管（S1）的漏极通过电容（Cn）连接第二MOSFET管（S2）的源极；
所述第一二极管（D1）的正极连接该第一MOSFET管（S1）的源极且负极连接该第一MOSFET管（S1）的漏极，所述第二二极管（D2）的正极连接该第二MOSFET管（S2）的源极且负极连接该第二MOSFET管（S2）的漏极；
所述第一MOSFET管（S1）的栅极用于接收第一驱动信号，从而控制该第一MOSFET管（S1）的工作状态，且所述第二MOSFET管（S2）的栅极用于接收第二驱动信号，从而控制第一MOSFET管（S1）、第二MOSFET管（S2）的工作状态。
3.根据权利要求1或2所述的光伏发电系统的光伏电池控制装置，其特征在于：该转换器还包括第一滤波电容（C1）和第二滤波电容（C2），其中该第一滤波电容（C1）连接在光伏电池组中第一光伏电池的两端且该第二滤波电容（C2）连接在光伏电池组中第二光伏电池的两端。
4.根据权利要求1所述的光伏发电系统的光伏电池控制装置，其特征在于：当该第二光伏电池被遮蔽时控制第一可控开关以一定占空比工作，此时一部分电能从第一光伏电池流向第二光伏电池；
当该第一光伏电池被遮蔽时控制第二可控开关以一定占空比工作，此时一部分电能从第二光伏电池流向第二光伏电池。
5.根据权利要求4所述的光伏发电系统的光伏电池控制装置，其特征在于：设定该第一驱动信号的占空比为                                               
Figure 482037DEST_PATH_IMAGE002
=，
Figure 991964DEST_PATH_IMAGE006
为第一可控开关导通的时间，
Figure 324856DEST_PATH_IMAGE008
为第一驱动信号的脉冲周期；该第二驱动信号的占空比为
Figure 765327DEST_PATH_IMAGE010
=
Figure 774740DEST_PATH_IMAGE012
，其中
Figure 979456DEST_PATH_IMAGE014
为第二可控开关导通的时间，
Figure 866772DEST_PATH_IMAGE016
为第二驱动信号的脉冲周期；
在该第二光伏电池被遮蔽时，通过调节第一驱动信号的占空比
Figure 473334DEST_PATH_IMAGE002
可以调节第二光伏电池的输出电压
Figure 591332DEST_PATH_IMAGE018
与第一光伏电池的输出电压
Figure 34077DEST_PATH_IMAGE020
的比值为
Figure 708771DEST_PATH_IMAGE022
，以及第二光伏电池的输出电流
Figure 419107DEST_PATH_IMAGE024
与第一光伏电池的输出电流
Figure 475050DEST_PATH_IMAGE026
的比值为
Figure 654359DEST_PATH_IMAGE028
；
在第一光伏电池被遮蔽时，通过调节第二驱动信号的占空比
Figure 116433DEST_PATH_IMAGE010
可以调节第一光伏电池的输出电压与第二光伏电池的输出电压
Figure 721169DEST_PATH_IMAGE018
的比值为，以及第一光伏电池的输出电流
Figure 512408DEST_PATH_IMAGE026
与第二光伏电池的输出电流
Figure 267919DEST_PATH_IMAGE024
的比值为；
由此保证光伏电池组中被遮蔽的光伏电池输出电能的同时，未被遮蔽的光伏电池输出的功率为最大输出功率。
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